Как можно интегрировать технологические данные из смесительных установок в системы MES/ERP?
Интеграцию следует планировать не как прямое соединение между смесителем и корпоративным программным обеспечением, а как контролируемую цепочку данных от сенсорики и системы управления через historian или edge-систему до Manufacturing Execution System и Enterprise Resource Planning System. Manufacturing Execution System, сокращённо MES, управляет оперативным производством и документирует его. Enterprise Resource Planning System, сокращённо ERP-система, управляет заказами, материалами, запасами, планированием и логистикой.
Архитектура и модель данных
Для процессов периодического производства целесообразна структура, ориентированная на ISA-88. ISA-88 описывает рецепты, модули установки, фазы процесса и данные партий. ISA-95, соответственно IEC 62264, описывает интерфейс между уровнем производства и уровнем предприятия. Эти модели помогают связывать данные процесса с идентификатором партии, версией рецептуры, установкой, временной меткой и фазой процесса.
На смесителе система управления фиксирует релевантные значения, такие как навески, время смешивания, частота вращения, крутящий момент, температура, влажность, давление, энергопотребление, статус, сигналы тревоги и вмешательства оператора. Дальше следует передавать только те данные, которые релевантны для ведения процесса, качества, прослеживаемости, технического обслуживания или показателей эффективности. Высокочастотные данные, например вибрационные или детальные кривые крутящего момента, часто сохраняются и предварительно обрабатываются в historian или edge-системе. В MES затем передаются агрегированные показатели, тренды, события или нарушения предельных значений.
Интерфейсы и поток данных
OPC Unified Architecture, сокращённо OPC UA, подходит как платформонезависимый стандарт для безопасного и структурированного обмена данными между системами управления, датчиками, приложениями MES, ERP и облачными приложениями. OPC UA предлагает информационные модели, а также функции аутентификации, шифрования и защиты целостности данных.
Другие интерфейсы выполняют специфические роли: PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP и IO-Link обычно соединяют полевые устройства и системы управления. Message Queuing Telemetry Transport, сокращённо MQTT, может быть целесообразен для событийно-ориентированной передачи данных или приложений промышленного интернета вещей. REST-интерфейсы, сокращённо от Representational State Transfer, часто используются между MES, ERP и интеграционными платформами. На brownfield-установках шлюзы могут преобразовывать проприетарные или устаревшие интерфейсы в стандартизированные модели данных. Однако эти шлюзы должны надёжно обеспечивать качество данных, временные метки, кибербезопасность и корректное поведение при сбоях.
Как правило, ERP-система передаёт в MES производственные заказы, спецификации, основные данные и указания по материалам. MES конкретизирует на этой основе исполнение: предоставляет рецептуры, координирует партии, управляет технологическими шагами и создаёт электронные протоколы партий. Из MES в ERP возвращаются данные о фактическом расходе, произведённом количестве, браке, доработке, статусе и качестве. Систему управления смесителем не следует напрямую использовать как ведущую систему для проводок материалов или выпуска партий.
Партии и соответствие требованиям
Для прослеживаемости партии сырья, плановые и фактические навески, версия рецептуры, параметры процесса, время, сигналы тревоги, отклонения, вмешательства оператора и разрешения должны быть однозначно привязаны к партии конечного продукта. Electronic Batch Record, сокращённо EBR, может объединять эту информацию в электронном протоколе партии.
В регулируемых применениях необходимо учитывать права пользователей, аудиторские следы, электронные подписи, архивирование данных, резервное копирование и читаемость на протяжении срока хранения. 21 CFR Part 11 актуален тогда, когда электронные записи или подписи ведутся в силу других применимых предписаний FDA. Недостаточно просто экспортировать данные из ПЛК (программируемого логического контроллера); должна контролироваться вся цепочка данных, включая интерфейсы, временную базу и процессы корректировки.
Особенно важна синхронизация времени между системой управления, historian, MES и ERP. Network Time Protocol, сокращённо NTP, часто достаточен для анализа партий и OEE. Precision Time Protocol, сокращённо PTP, может потребоваться при более высоких требованиях к временной точности. Решающим является то, чтобы отклонения контролировались, а события из разных систем корректно сопоставлялись.
Безопасность и реализация
Интеграцию следует начинать с чёткой матрицы данных и интерфейсов: какие данные где возникают, какая система является ведущей, кто имеет право на чтение или запись, как распознаются ошибки и как происходит повторный запуск после сбоев связи? Столь же важны единые соглашения об именовании для установок, тегов, партий и рецептур.
Кибербезопасность должна быть неотъемлемой частью архитектуры. Модель безопасности по IEC 62443 разделяет промышленные системы автоматизации и управления на зоны со сравнимыми требованиями к защите и контролируемые каналы связи, так называемые conduits. Поэтому доступ MES или ERP не должен неконтролируемо распространяться до уровня системы управления. Ключевыми мерами являются сегментация сети, строгие правила межсетевого экрана, однозначные учётные записи пользователей, защищённый удалённый доступ, управление обновлениями и контролируемые изменения.
Подключение к MES и ERP у amixon®
amixon® интегрирует данные процесса индивидуально для проекта в существующую автоматизационную и ИТ-ландшафт эксплуатирующей организации. Отправной точкой служит User Requirement Specification, сокращённо URS. Она определяет, какие данные фиксируются, как они привязываются к партии и через какие интерфейсы передаются в систему управления процессом, Manufacturing Execution System или Enterprise Resource Planning System. Manufacturing Execution System, сокращённо MES, поддерживает управление производством и документирование партий; Enterprise Resource Planning System, сокращённо ERP-система, управляет, среди прочего, заказами, материалами и логистикой.
Смесительная установка может быть оснащена программируемым логическим контроллером, сокращённо ПЛК. Рецептуры со временем смешивания, частотой вращения, последовательностью дозирования, температурным профилем и другими параметрами можно там выполнять по партиям. В зависимости от задачи смешивания могут фиксироваться, например, крутящий момент, температура, влажность, давление, вакуум, дозируемые количества, время работы, циклы, сообщения тревоги и вмешательства оператора. amixon® не устанавливает объём данных как жёсткий стандартный пакет, а согласует его с процессом, продуктом, требованием к качеству и имеющимся системным ландшафтом.
Идентификация по штрихкоду может связывать сырьё, тару, версии рецептур и производственные партии. Благодаря этому плановые и фактические значения, номера партий и выбранные данные процесса становятся доступны для прослеживаемости, электронных протоколов партий и анализа OEE. Общая эффективность оборудования, по-английски Overall Equipment Effectiveness, сокращённо OEE, оценивает доступность, производительность и качество. Её информативность предполагает, что временные метки, причины простоев, привязка к партиям и ответственность за данные однозначно урегулированы во всех задействованных системах.
В регулируемых применениях amixon® может ориентировать автоматизацию на требования к документации, ролям пользователей, аудиторским следам и электронным данным. amixon® оказывает поддержку при Design Qualification, Installation Qualification и Operational Qualification, сокращённо DQ, IQ и OQ. По данным компании, документация и исполнение могут ориентироваться на EU-GMP и FDA 21 CFR Part 11. Ответственность за валидацию полной цепочки данных, за целостность данных и за регуляторное разрешение остаётся за эксплуатирующей организацией.
Эксплуатационные данные смесителя могут дополнительно поддерживать техническое обслуживание по состоянию. Время работы, циклы переключения, кривые крутящего момента, ток двигателя, температура и неисправности могут указывать на изменения привода, опор, уплотнений или органов выгрузки. amixon® сочетает эту базу данных с удобной для обслуживания конструкцией, в том числе мешалкой, опирающейся выше смесительного пространства. Целесообразность прогностического технического обслуживания зависит от измеримых механизмов отказа, качества данных и организации технического обслуживания у эксплуатирующей организации.
Техническую разработку сбора данных можно подготовить в испытательном центре с оригинальным продуктом. По данным amixon®, в Падерборне доступно более 35 испытательных установок; дополнительные испытательные центры существуют в США и нескольких странах Азии. Испытания могут показать, какие параметры процесса релевантны для качества смешивания, щадящей обработки продукта, внесения энергии, выгрузки или очищаемости. Тем самым они создают основу для выбора целесообразной сенсорики и структуры данных рецептуры и процесса.
По собственным данным, amixon® разрабатывает и производит централизованно в Падерборне. Высокая глубина собственного производства облегчает согласование смесителя, штуцеров для датчиков, автоматизации, документации и последующих дооснащений. Техническое обслуживание, модернизация, обеспечение запасными частями и индивидуальная для проекта адаптация интерфейсов могут сопровождаться на протяжении всего жизненного цикла установки.